DE60038593T2

DE60038593T2 - Verfahren und Einrichtung zur Optimierung von NOx-Ausstoss in einer Gasturbine

Info

Publication number: DE60038593T2
Application number: DE60038593T
Authority: DE
Inventors: Ravi East Hartford Rajamani; Narendra Digamber Cincinnati Joshi; George Charles Schenectady Goodman; Richard Bradford Sharonville Hook
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2020-07-06
Also published as: US6195607B1; EP1067338B1; JP2001041055A; EP1067338A3; EP1067338A2; DE60038593D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Brennstoff-Luft-Optimierung in ringförmigen Gasturbinen-Brennern und mehr im Besonderen betrifft sie ein System zum kontinuierlichen mitlaufenden Trimmen der Brennstoff-Strömungsrate zu Ringen eines ringförmigen Brenners, um NO_x-Emissionen zu optimieren. Ein bekanntes System ist in JP-A-09 166 326 beschrieben.
1 zeigt einen Gasturbinen-Brenner eines industriellen Triebwerkes mit geringer Trockenemissionen (DLE), wie das GE LM6000^TM, das einen Verdichter 2, einen Brenner 3 und eine Turbine 4 einschließt. Brennstoff wird mit komprimierter Luft von dem Verdichter 2 vermischt und im Brenner 3 verbrannt. Die resultierende Strömung der Verbrennungsprodukte aus dem Brenner 3 treibt die Turbine 4, die wiederum eine (nicht gezeigte) Last sowie den Verdichter 2 antreibt. Das Abgas von der Turbine 4 wird schließlich an die Atmosphäre abgegeben. Eine Art von Brenner, die heutzutage üblicherweise eingesetzt wird, ist der sogenannte Ringbrenner. Eine beispielhafte Ausführungsform des Ringbrenners umfasst mehrere separate Ringe, wobei jeder Ring mit dem Verdichter 2 verbunden ist und eine Brennstoffzufuhr Verbrennungsprodukte zum Antrieb der Turbine 4 liefert. Dieser Brenner ist vollständig in US-PS 5,323,604 beschrieben.
1 zeigt weiter eine Ausführungsform des Ringbrenners 3 vom DLE-Typ mit drei Ringen 5, 7 und 9. Die Ringe definieren eine (nicht gezeigte) Brennkammer, in die eine Brennstoff-Luft-Mischung von einem äußeren Ringvormischer 12, einem Pilot-Ringvormischer 16 und einem inneren Ringvormischer 18 injiziert wird. Komprimierte Luft tritt in jeden der Vormischer 12, 16 und 18 durch eine Luftleitung 13 ein und Brennstoff tritt durch eine Brennstoffleitung 14 ein. Ein Hauptventil 15, auch als Pilotventil bezeichnet, ist in der Brennstoffleitung 14 angeordnet, um die Strömung des Brennstoffes in jeden des äußeren Ringvormischers 12 und inneren Ringvormischers 18 zu drosseln. Alternativ können der Brennstoff und Luft direkt ohne Vormischen in die Brennkammer injiziert werden. Dies führt zu einer nahezu stöchiometrischen Hochtemperatur-Verbrennung, die zur reichlichen Produktion variierender Kombinationen von Oxiden von Stickstoff führt, die allgemein als NO_x bezeichnet sind. Das Vermischen des Brennstoffes und der Luft vor der Verbrennung führt zu einer mageren vorvermischten Verbrennung, die geringere Flammentemperaturen und somit weniger NO_x-Emissionen erzeugt. Die Flammentemperatur in einem Ring des Brenners ist proportional dem Brennstoff-Luft-Verhältnis in der Betriebsregion eines Brenners vom DLE-Typ, folglich werden Ring-Flammentemperatur und Brennstoff-Luft-Verhältnis in der vorliegenden Beschreibung austauschbar benutzt.
Das Verringern von Emissionen schädlicher Gase, wie NO_x, in die Atmosphäre, ist von hervorragendem Interesse. Es ist daher für Energieanlagen auf Gasturbinen-Grundlage erwünscht, Erdgas zu verbrennen, um Mittel zum dramatischen Reduzieren von NO_x-Emissionen einzusetzen. Mit Erdgas betriebene Gasturbinen erzeugen keinen messbaren Teilchenausstoß von Oxiden des Schwefels (SO_x) und, wenn der Verbrennungsprozess richtig geregelt wird, sehr wenig NO_x oder Kohlenmonoxid (CO).
Es gibt einen Bedarf an einem Realzeit-, Online-Trimmen der Brennstoffströmung zu jedem Ring eines Ringbrenners zur Minimierung der NO_x-Gesamtemissionen. Es gibt einen zusätzlichen Bedarf für ein Trimmsystem, um das Realzeit-, Online-Trimmen auszuführen, das bei existierenden Gasturbinen nachrüstbar ist. Das Trimmsystem muss derart sein, dass sein Versagen den Grundbetrieb der Gasturbine nicht beeinflusst.
Die oben erwähnten Bedürfnisse werden durch die vorliegende Erfindung angesprochen, die Vorrichtung und Verfahren zum Minimieren von NO_x-Emissionen einer Gasturbine bereitstellt.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoff-Kontrollverfahren zum Kontrollieren des Verhältnisses der Ringtemperatur-Einstellung in Ringen eines Brenners in einer Gasturbine bereitgestellt, wobei das Brennstoff-Kontrollverfahren die Stufen umfasst: Definieren einer Betriebsgrenze für eine Einstellung der Innenring-Temperatur gegenüber einer Einstellung der Außenring-Temperatur; Berechnen eines globalen Minimums mit Bezug auf NO_x-Emissionen des Betriebes der Einstellung der Innenring-Brennstofftemperatur gegenüber der Einstellung der Außenring-Brennstofftemperatur innerhalb einer Sicherheitsgrenze der Betriebsgrenze, worin das NO_x-Emissionsniveau der Gasturbine vermindert ist, und Regulieren der Ringtemperaturen, um die Einstellung der Innenring-Temperatur und die Einstellung der Außenring-Temperatur nahe dem globalen Minimalpunkt des Betriebes zu halten, während ein Normalbetrieb der Gasturbine aufrechterhalten wird.
Vorzugsweise ist die Betriebsgrenze identifiziert, wenn der dynamische Brennerdruck größer als eine spezifizierte Grenze ist.
Der dynamische Brennerdruck kann eine spezifizierte Grenze in einem Bereich von null bis etwa 15.000 Pa aufweisen.
Die Gasturbine kann dahingehend verifiziert sein, dass sie sich in einem ABC-Modus, wobei der ABC-Modus als der Modus definiert ist, bei dem der Innenring, der Pilotring und der Außenring gleichzeitig durch den Turbinen-Kontroller (50) kontrolliert sind, in einem AB-Modus, worin AB-Modus als der Mo dus definiert ist, bei dem das Innenringventil 22 geschlossen ist und/oder in einem BC-Modus befindet, worin der BC-Modus als der Modus definiert ist, bei dem das Außenring-Ventil 24 geschlossen ist.
Die NO_x-Emissionen können an einer vorbestimmten Anzahl von Betriebspunkten, z. B. mindestens sechs, innerhalb der Betriebsgrenze gemessen werden.
Das Verfahren kann weiter die Stufe des Ausführens einer polynomen Kurvenanpassung an die Betriebspunkte und die Stufe des Berechnens eines globalen Minimal-Betriebspunktes umfassen.
Das Verfahren kann weiter die Stufe des Festlegens der Innenringtemperatur-Einstellung und der Außenringtemperatur-Einstellung derart umfassen, dass die Gasturbine innerhalb einer Sicherheitsgrenze des globalen Minimums arbeitet.
Die Stufe des Berechnens des globalen Minimal-Betriebspunktes kann weiter die Stufe des Bestimmens umfassen, ob eine bevorzugte Grenze gekreuzt worden ist.
Das Verfahren kann weiter die Stufe des Festlegens der Innentemperatur-Einstellung und der Außenringtemperatur-Einstellung derart umfassen, dass die Gasturbine zu einem Betriebspunkt zurückkehrt, der sich eine Sicherheitsgrenzen-Einheit vom globalen Minimum entfernt befindet, wenn die bevorzugte Grenze gekreuzt worden ist.
Das Verfahren kann weiter die Stufe des Bestimmens umfassen, an die bevorzugte Grenze gekreuzt worden ist.
Das Verfahren kann weiter die Stufe des Festlegens der Innenringtemperatur-Einstellung und der Außenringtemperatur-Einstellung derart umfassen, dass die Gasturbine zu einem Betriebspunkt zurückkehrt, der sich eine Sicherheitsgrenzen-Einheit vom globalen Minimum entfernt befindet, wenn die bevorzugte Grenze gekreuzt worden ist.
Das Verfahren kann weiter die Stufe des Festlegens der Innenringtemperatur-Einstellung und der Außenringtemperatur-Einstellung derart umfassen, dass die Gasturbine zu dem globalen Minimal-Betriebspunkt zurückkehrt, wenn die bevorzugte Grenze nicht gekreuzt wurde.
Das Verfahren kann weiter die Stufe des Festlegens der Innenringtemperatur-Einstellung und der Außenringtemperatur-Einstellung derart umfassen, dass die Gasturbine zu einem Betriebspunkt zurückkehrt, der sich eine Sicherheitsgrenze entfernt vom globalen Minimum befindet, wenn die bevorzugte Grenze gekreuzt wurde.
Die NO_x-Emissionen können an einer vorbestimmten Anzahl von Betriebspunkten, z. B. mindestens drei, innerhalb der Betriebsgrenze gemessen werden.
Das Verfahren kann weiter die Stufe des Ausführens einer polynomischen Kurvenanpassung an die Betriebspunkte umfassen.
Das Verfahren kann weiter die Stufe des Berechnens eines lokalen Minimal-Betriebspunktes auf der Grundlage einer ersten Ableitung der Kurvenanpassung umfassen.
Das Verfahren kann weiter die Stufe des Festlegens der Innenringtemperatur-Einstellung und der Außenringtemperatur- Einstellung derart umfassen, dass die Gasturbine beim lokalen Minimum arbeitet.
Das Verfahren kann weiter die Stufe des Festlegens der Innenringtemperatur-Einstellung und der Außenringtemperatur-Einstellung derart umfassen, dass die Gasturbine entlang einer lokalen Minimallinie arbeitet, bis die bevorzugte Grenze erreicht ist.
Das Verfahren kann weiter die Stufe des Festlegens der Innenringtemperatur-Einstellung und der Außenringtemperatur-Einstellung derart umfassen, dass die Gasturbine innerhalb einer Sicherheitsgrenze der bevorzugten Grenze arbeitet.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Kontrollieren der Brennstoffströmung zu einer Vielzahl von Ringen in einem ringförmigen Brenner einer Gasturbine bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Turbinen-Kontroller, wobei der Turbinen-Kontroller zum Erzeugen einer nominalen Betriebstemperatur für jeden der Vielzahl von Ringen des Brenners angepasst ist; einen NO_x-Regulator, der mit dem Turbinen-Kontroller gekoppelt ist, wobei der NO_x-Regulator zum Reduzieren von NO_x-Emissionsniveaus in der Gasturbine durch Einstellen mindestens einer Ringtemperatur des ringförmigen Brenners angepasst ist; einen Innenring-Brennstoffeinsteller, der mit dem NO_x-Regulator gekoppelt ist, wobei der Innenring-Brennstoffeinsteller zum Einstellen der Innenring-Temperatur des Brenners innerhalb einer spezifizierten Grenze angepasst ist und einen Außenring-Brennstoffeinsteller, der mit dem NO_x-Regulator gekoppelt ist, wobei der Außenring-Brennstoffeinsteller zum Einstellen der Außenring-Temperatur des Brenners innerhalb einer spezifizierten Grenze angepasst. ist.
Der NO_x-Regulator kann weiter einen Digitalsignal-Prozessor umfassen und kann umfassen: einen Mikroprozessor; einen Analog/Digital-Wandler, der an den Mikroprozessor gekoppelt ist, mindestens ein Digital/Analog-Wandler, der an den Mikroprozessor gekoppelt ist, und einen Mehrfachkoppler, der an den Analog/Digital-Wandler gekoppelt ist.
Die spezifizierte Grenze kann in einem Bereich von etwa –65°C bis etwa +65°C um eine Nominal-Betriebstemperatur herum liegen.
Der NO_x-Regulator kann einen ersten Algorithmus umfassen, wobei der erste Algorithmus zum Definieren einer Betriebsgrenze einer Innenring-Temperatureinstellung gegenüber einer Außenring-Temperatureinstellung, zum Berechnen eines globalen Minimums des Betriebes der Innenring-Brennstofftemperatureinstellung gegenüber der Außenring-Brennstofftemperatureinstellung innerhalb einer Sicherheitsgrenze der Betriebsgrenze, worin das NO_x-Emissionsniveau der Gasturbine vermindert ist und zum Regulieren der Ringtemperaturen angepasst ist, um die Innenring-Temperatureinstellung und die Außenring-Temperatureinstellung nahe dem globalen Minimalpunkt des Betriebes zu halten.
Der NO_x-Regulator kann einen zweiten Algorithmus umfassen, wobei der zweite Algorithmus zum Verifizieren, dass sich die Gasturbine im ABC-Betriebsmodus befindet, Erfassen von NO_x-Messungen während des Normalbetriebes der Gasturbine, der mindestens sechs Grenzpunkten entspricht, Ausführen einer polynomischen Kurvenanpassung an die mindestens sechs Grenzpunkte zum Erzeugen einer NO_x-Gleichung, die jeder der Ringtemperaturen entspricht, zum Berechnen des globalen Minimalpunktes des Betriebes, wobei die Gasturbine verminderte NO_x-Emissionsniveaus erzeugt, und zum Regulieren der Gasturbine zum Betrieb nahe dem berechneten globalen Minimalbetriebspunkt angepasst ist, während der Normalbetrieb der Gasturbine aufrechterhalten wird.
Die vorliegende Erfindung umfasst somit ein Brennstoff-Kontrollsystem zum Kontrollieren des Verhältnisses der Ringtemperatur-Einstellung in mindestens einem Ring eines ringförmigen Brenners in einer Gasturbine. Das Brennstoff-Kontrollsystem besteht aus einem Computer zur Ausführung der Stufen: 1) Definieren einer Betriebsgrenze einer Innenring-Temperatureinstellung gegenüber einer Außenring-Temperatureinstellung, die eine sichere Betriebsregion für die Gasturbine definiert; 2) Berechnen eines Betriebspunktes der Innenring-Temperatureinstellungen gegenüber der Außenring-Temperatureinstellung innerhalb einer Sicherheitsgrenze der Betriebsgrenze, worin NO_x-Emissionsniveaus der Gasturbine beträchtlich minimiert sind, und 3) Regulieren jeder Ringtemperatur-Einstellung zum Aufrechterhalten eines nahe dem globalen Minimalpunkt liegenden Betriebes, während normale Betriebsparameter aufrechterhalten werden.
Die Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der:
1 eine schematische Darstellung einer konventionellen Gasturbine mit ringförmigem Brenner ist;
2 eine schematische Darstellung des Kontrollers ist, der einen NO_x-Regulator der vorliegenden Erfindung aufweist;
3 eine weitere schematische Blockdiagramm-Darstellung eines Kontrollers und eines NO_x-Regulators der vorliegenden Erfindung ist;
4 ein weiteres schematisches Blockdiagramm des NO_x-Regulators von 3 ist;
5 ein Systemniveau-Flussdiagramm des Verfahrens zum Regulieren von NO_x-Emissionen der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine grafische Darstellung der Bezugseinstellung der Außentemperatur gegen Bezugseinstellung der Innentemperatur der vorliegenden Erfindung ist;
7 ein weiteres Detail des Fließdiagramms in 3 des Kontrollprozesses der vorliegenden Erfindung ist; und
8 eine grafische Darstellung des Bogens ist, der den globalen optimalen Betriebspunkt der Gasturbine der vorliegenden Erfindung definiert.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Verringerung von Emissionen schädlicher NO_x-Gase, die durch eine Gasturbine erzeugt werden. NO_x-Emissionen sind sehr empfindlich auf die Brenner-Temperatur in einer Gasturbine und die Menge des erzeugten NO_x ist eine Exponentialfunktion der Temperatur. In dieser Patentschrift bezieht sich NO_x auf verschiedene Oxide von Stickstoff. Die vorliegende Erfindung ist auch angepasst, die Gasturbine derart zu betreiben, dass hohe Niveaus akustischen Geräusches minimiert sind, um das Ausblasen der Turbine auf der Grundlage unakzeptabel mageren Brennstoffes zu beseitigen und hohe Niveaus von Kohlenmonoxid (CO) zu vermindern.
In den 1 bis 4, in denen gleiche Elemente gleichen Bezugsziffern entsprechen, ist ein Kontroller 20 an ein Innenring-Brennstoffventil 22, ein Pilotring-Brennstoffventil 14 und ein Außenring-Brennstoffventil 24 gekoppelt, um die Brennstoffströmung zu entsprechenden Vormischern 18, 16 und 12 mit tels eines Innenring-Brennstoffsignals 36, eines Pilotring-Brennstoffsignals 40 und einen Außenring-Brennstoffsignals 24 zu regulieren. Eine Vielzahl von Kontrollsignalen vom Turbinetriebwerk ist mit dem Kontroller 20 gekoppelt, einschließlich, z. B., dynamischer Druck P_x (26) (der dynamische Peak-zu-Peak-druck des Brenners 3), NO_x (34), Innenring-Temperatur (30), Außenring-Temperatur (28) sowie Brennstoffventil-Positionsstatus (32). Es sollte klar sein, dass die oben identifizierten Kontrollsignale nur ein repräsentativer Untersatz der Kontrollsignale sind, die vom Kontroller 20 benutzt werden können, um die Gasturbine zu kontrollieren. Es sollte auch klar sein, dass Signale des dynamischen Druckes P_x 26, der Außenring-Temperatur 28, der Innenring-Temperatur 30 und des NO_x-Emissionsniveaus 34 aus anderen gemessenen Signalen im Kontroller errechnet werden können und nicht notwendigerweise direkt durch Sensoren gemessen werden.
2 veranschaulicht weitere Einzelheiten des Kontrollers 20, der einen Turbinen-Kontroller 50 und einen NO_x-Regulator 56 umfasst. Der Kontroller 20 umfasst weiter einen Innenring-Brennstoffeinsteller 52, einen Außenring-Brennstoffeinsteller 54, wobei der Innenring-Einsteller 52 und der Außenring-Einsteller 54 jeweils mit einem Innenring-Brennstoffantrieb 36 und einem Außenring-Brennstoffantrieb 38 gekoppelt sind. Der Haupt-Brennstoffantrieb ist mit dem Turbinen-Kontroller 50 gekoppelt. NO_x-Regulator 56 ist mit dem Innenring-Brennstoffeinsteller 52 und Außenring-Brennstoffeinsteller 54 gekoppelt. Wegen der Verbindungs-Anordnung hat NO_x-Regulator 56 nur die Möglichkeit, den Brennstoff, der zum inneren Brennstoffventil 22 und äußerem Brennstoffventil 24 strömt, einzustellen. Der innere Brennstoffantrieb 58 erzeugt ein Innenring-Brennstoffsignal 36 und der Außenring-Brennstoffantrieb 62 erzeugt ein Außenring-Brennstoffsignal 38. Pilotring-Brennstoffsignal 36 wird vom Unterschied zwischen der Gesamt-Brenn stoffströmung und der Summe der inneren Brennstoffströmung und äußeren Brennstoffströmung abgeleitet.
Haupt-Brennstoffventil 14 reguliert die gesamte Brennstoffströmung zum Brenner. Innenring-Brennstoffventil 22 und Außenring-Brennstoffventil 24 sind mit dem inneren Ring 5 und äußeren Ring 9 gekoppelt. Die Regulierung der Brennstoffströmung durch das Innenring-Brennstoffventil 22 und Außenring-Brennstoffventil 24 ist durch den Turbinen-Kontroller 50 begrenzt. Wegen der dem Brennstoff-Kontrollsystem durch die obige Beschreibung auferlegten Beschränkung werden die Design-Einschränkungen der Gasturbine, die den dynamischen Betriebsbereich des Brenners 3 definieren, auch durch Turbinen-Kontroller 50 kontrolliert. In Falle des Versagens von NO_x-Regulator 56, kontrolliert Turbinen-Kontroller 50 den Betrieb der Gasturbine in einem versagenssicheren Modus weiter. NO_x-Regulator 56 ist entworfen, Einstellungen nur an der Brennstoffströmung des Innenringes 5 und Außenringes 9 vorzunehmen.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist NO_x-Regulator 56 eher eine selbstständige Kontrollvorrichtung als dass er in Kontroller 20 integriert ist, wie in 3 veranschaulicht. Innenring-Brennstoffeinsteller 52 und Innenring-Brennstoffventilantrieb 58 können auch in einem einzigen Einsteller und Innenring-Ventilantrieb 72 integriert sein. Entsprechend können der Außenring-Brennstoffeinsteller 54 und der dazugehörige Antrieb 62 in den Außenring-Einsteller und Antrieb 70 integriert sein. In dieser Ausführungsform umfasst NO_x-Regulator 56 einen Mikroprozessor 86, wobei der Mikroprozessor 86 mit mindestens einem Digital/Analog-Wandler 84, einem Digitalriegel 88 zum Lesen des Digitalsignals 32 und einem Analog/Digital-Wandler 90 gekoppelt ist, wie in 4 veranschaulicht. Analog/Digital-Wandler 90 kann auch mit einem Analog-Mehrfachkoppler 92 gekoppelt sein, um Analogsignale 28, 30 und 34 zu lesen. NO_x-Regulator 56 kann alternativ einen Digitalsignal-Prozessor umfassen, der die oben beschriebenen Digital- und Analogfunktionen eingebaut aufweist.
NO_x-Regulator 56 betätigt Brennstoffventile 22 und 24, um die Brennstoffströmung zum Innenring-Vormischer 18 und Außenring-Vormischer 12 zu kontrollieren. Durch Regulieren der Brennstoffströmung in dieser Weise wird die Menge des Brennstoffes vom äußeren Ring 9, Pilotring 7 und innerem Ring 5 des Brenners 3 reguliert. Die Brennstoffströmung bestimmt das Brennstoff-Luft-Verhältnis in jedem Ring des Brenners 3, das wiederum die Temperatur in jedem Ring bestimmt. Da die Temperaturen im inneren Ring 5, Pilotring 7 und äußerem Ring 9 die Menge des durch den Brenner 3 erzeugten NO_x bestimmen, kontrolliert NO_x-Regulator 56 NO_x-Emissionen im Brenner 3, wie weiter unten beschrieben.
In 5 bis 7, in denen gleiche Elemente gleiche Bezugsziffern aufweisen, wird ein Verfahren zum Kontrollieren des Innenring-Brennstoffventils 22 und Außenring-Brennstoffventils 24 beschrieben. 5 veranschaulicht ein Prozess-Fließdiagramm 100 zum Bestimmen des nahe dem Optimum liegenden Betriebspunktes zum Minimieren von NO_x-Emissionen in einer Gasturbine.
Zuerst wird eine Bestimmung hinsichtlich des Betriebsmodus der Gasturbine vorgenommen, d. h., ob der innere Ring 5 und äußere Ring 9 unter der Kontrolle des Turbinen-Kontrollers 50 stehen. Stufe 102. Typischerweise werden diese Daten vom Turbinen-Kontroller 50 über die Brennstoffventil-Statusleitung 32 (2) an den NO_x-Regulator 56 geliefert. Es sollte klar sein, dass die vorliegende Erfindung in dem Modus arbeitet, in dem innerer Ring 5, Pilotring 7 und äußerer Ring 9 gleichzeitig durch Turbinen-Kontroller 50 kontrolliert sind, was als ABC-Modus identifiziert ist. Andere Betriebsmodi liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie die Modi AB und BC, wobei Modus AB als der Modus definiert ist, bei dem das Innenringventil 22 verschlossen ist, und Modus BC als der Modus definiert ist, bei dem Außenringventil 24 verschlossen ist.
Als Nächstes wird eine spezifizierte Anzahl von Gasturbinen-Betriebspunkten entlang einer Betriebsgrenze 156 identifiziert, die durch Brennkammer-Temperaturen am inneren Ring 5 und äußeren Ring 9 definiert ist. Ein beispielhafte Veranschaulichung dieser Betriebspunkte ist, z. B., durch Betriebspunkte 160, 162, 164, 166, 168 und 170 gezeigt, wie in 6 veranschaulicht. Jeder der Betriebspunkte 160, 162, 164, 166, 168, 170 wurde als entlang drei Ebenen liegend ausgewählt, die sich am nominalen Betriebspunkt 158 schneiden. Es sollte klar sein, dass irgendein Verfahren zum Auswählen der Betriebspunkte benutzt werden kann. Das Ziel ist, eine spezifizierte Anzahl von Betriebspunkten auszuwählen, die entlang der Betriebsgrenze 156 liegen. An jedem dieser Betriebspunkte werden NO_x-Niveaus während des Normalbetriebes der Gasturbine gemessen. Die Punktauswahl- und NO_x-Messverfahrensstufe ist durch Stufe 104 von 5 veranschaulicht. Die Anzahl der identifizierten Grenzpunkte beträgt typischerweise mindestens sechs, um genügend Datenpunkte für eine Kurvenanpassungs-Analyse zweiter Ordnung an den Datenpunkten auszuführen. Ein Grenzpunkt 156 ist als ein Betriebspunkt des Gasturbinen-Triebwerkes innerhalb einer definierten bevorzugten Betriebsregion 154 definiert. Die bevorzugte Betriebsregion ist als die Region definiert, bei der eine Anzahl von Bedingungen im Allgemeinen erfüllt werden, wie, wenn der dynamische Betriebsbereich des Brenners 3 erfüllt ist, wenn das akustische Geräusch der Gasturbine gering ist, wenn die Gasturbine sich nicht im Ausblasbereich befindet, wenn CO gering ist, wenn NO_x unterhalb einer hohen oberen Grenze liegt. NO_x umfasst typi scherweise etwa 25 pro Million Volumenteile Abgas. Diese Bedingungen sind im Allgemeinen erfüllt, wenn der dynamische Druck P_x innerhalb eines spezifizierten Druckbereiches während des Betriebes liegt, typischerweise zwischen etwa null und etwa 15.000 Pa. Der spezifischere dynamische Druckbereich ist für die Gasturbine spezifisch und er wird typischerweise durch den Gasturbinen-Hersteller angegeben. Die nicht bevorzugte Betriebsregion, die irgendein Bereich ist, der sich nicht innerhalb der bevorzugten Betriebsregion 156 befindet, ist zu vermeiden.
6 liefert weiter eine grafische Darstellung des Brennstofftemperatur-Einstellungsbereiches eines typisch ringförmigen Brenners einer Gasturbine. Der Bereich der Innenring-Temperatureinstellung reicht von etwa –65°C bis etwa +65°C oberhalb und unterhalb einer Nominalbetriebs-Ringtemperatur 158, die durch Turbinen-Kontroller 50 festgelegt ist. Dieser Innenring-Temperatureinstellungsbereich ist durch die horizontale Achse von 6 repräsentiert. Der Bereich der Außenring-Temperatureinstellung reicht von etwa –65°C bis etwa +65°C oberhalb und unterhalb der Nominalbetriebs-Ringtemperatur 158. Dieser Außenring-Temperatureinstellungsbereich ist durch die vertikale Achse von 6 repräsentiert.
Als Nächstes werden die spezifizierten Betriebspunkte 160, 162, 164, 166, 168 und 170 dazu benutzt, Koeffizienten a₀ bis an (in diesem Beispiel n = 6) für eine Kurvenanpassungs-Funktion zu erzeugen, die zu einer resultierenden Polynomischen zu NO_x steht. Diese polynomische Funktion ist mindestens eine polynomische Funktion zweiter Ordnung, die die in Gleichung 1 identifizierte Form aufweist. NOx = a0 + a1x + a2y + a3xy + a4x2 + a5y2 Gleichung 1 wobei die Variable „x" mit der Einstellung der Innenring-Temperatur 172 korrespondiert und die Variable „y" mit der Einstellung der Außenring-Temperatur 174 korrespondiert, die in 6 dargestellt sind. Die Kurvenanpassungs-Funktion entspricht Stufe 106, in 5 veranschaulicht. Gleichung 1 wird benutzt, wenn sich NO_x-Regulator 56 im ABC-Modus befindet. Im AB-Modus ist „x" = null und im BC-Modus ist „y" = null.
Als Nächstes werden der „x"- und „y"-Wert errechnet, bei dem NO_x minimiert ist, indem man eine Teilableitung der Gleichung 1 mit Bezug auf „x" und eine Teilableitung mit Bezug auf „y" nimmt, repräsentiert durch Stufe 108 von 5. Der resultierende Punkt ist definiert als das globale Minimum 157 und ist in 6 abgebildet. Es wird darauf hingewiesen, dass das globale Minimum 157 in der nicht bevorzugten Region liegen kann.
Schließlich werden die Einstellungen der Gasturbinen-Innenring- und -Außenring-Temperatur gesteigert, sodass die Gasturbine entweder beim globalen Minimum 157 oder nahe dem globalen Minimum 157 innerhalb der bevorzugten Betriebsregion arbeitet, Stufe 110 von 5. Arbeitet die Gasturbine nahe dem globalen Minimum, dann sind NO_x-Emissionsniveaus in einem Bereich von etwa 10% bis etwa 20% gegenüber Niveaus verringert, die auftreten, wenn die vorliegende Erfindung nicht benutzt wird. In dieser Beschreibung ist der nahe dem globalen Optimum liegende Betriebspunkt daher definiert als der Betriebspunkt, bei dem die NO_x-Emissionsniveaus in einem Bereich von etwa 10% bis etwa 20% von nominalen Betriebs-Emissionsniveaus verringert sind. Der Prozess des Betriebs der Gasturbine bei oder nahe dem globalen Minimum wird als Nächstes weiter beschrieben.
Bezugnehmend auf 6 und 7, in denen gleiche Elemente gleichen Bezugsziffern entsprechen, wird ein Verfahren zum Betreiben der Gasturbine bei oder nahe dem globalen Minimum 157 weiter beschrieben.
Es ist als erstes geeignet, eine Sicherheitsgrenze „r" zu definieren, die die Grenze ist, gemessen durch Innenring-Temperatureinstellung und Außenring-Temperatureinstellung, bei der die Gasturbine innerhalb der bevorzugten Region arbeitet. Sicherheitsgrenze „r" ist typischerweise etwa 15°C. Es sollte klar sein, dass die Sicherheitsgrenze von der Genauigkeit des Kontrollsystems und dem Ansprechen der Gasturbine abhängt und sich ändern kann, wie für irgendein gegebenes Gasturbinensystem geeignet.
Als Nächstes werden die Innenring-Temperatureinstellung und Außenring-Temperatureinstellung gesteigert, sodass der Gasturbinenbetrieb dahingehend eingestellt wird, dass er beim nominalen Betriebspunkt 158 (6) entlang einer globalen Grenzlinie 171 startet, die sich vom nominalen Betriebspunkt 158 zum globalen Minimum 157 erstreckt, wie durch Stufe 112 von 7 identifiziert. Bei jedem Inkrement wird bestimmt, ob die Betriebsgrenze 156 gekreuzt worden ist, in welchem Falle die Gasturbine in der nicht bevorzugten Region 152 arbeiten würde, wie durch Stufe 118 von 7 identifiziert.
Wurde die Betriebsgrenze 156 nicht gekreuzt, wird die Gasturbine entlang der globalen Grenzlinie 171 durch Sicherheitsgrenze „r" eingestellt, wie durch Stufe 120 von 7 identifiziert. Wurde die Betriebsgrenze 156 wiederum nicht gekreuzt, wird angenommen, dass der Betrieb der Gasturbine an der Sicherheitsgrenze so dicht am globalen Minimum 157 liegt, wie die Sicherheitsgrenze erlaubt, sodass die Gasturbine weiter bei einer Einstellung der Innenring-Temperatur und Ein stellung der Außenring-Temperatur arbeitet, die durch die Sicherheitsgrenze repräsentiert sind. Diese Prozessstufen werden durch Blöcke 122 und 126 von 7 identifiziert.
Wurde die Betriebsgrenze 156 gekreuzt, nachdem die Gasturbine durch die Sicherheitsgrenze in Stufe 120 gesteigert wurde, wird die Gasturbine auf den Betriebspunkt 171 unmittelbar vor der Sicherheitsgrenze neu eingestellt, wobei angenommen wird, dass diese Punkt nahe dem optimalen globalen Betriebspunkt 157 liegt. Diese Prozessstufen sind durch Blöcke 122 und 124 in 7 identifiziert.
In den 7 und 8, in denen gleiche Elemente gleichen Bezugsziffern entsprechen, wird das Verfahren zum Bestimmen des minimalen NO_x-Betriebspunktes für die Gasturbine weiter beschrieben. Wenn nach dem Steigern der Gasturbine, wie in Stufe 112 identifiziert, die Betriebsgrenze 156 gekreuzt wird, dann werden die entsprechende innere und äußere Brennerring-Temperatur durch die Sicherheitsgrenze entlang der globalen Grenzlinie 159 umgekehrt, wie durch Stufen 118 und 128 in 7 identifiziert. Als Nächstes wird das Brennstoff-Kontrollsystem ausgeübt, um mindestens drei zusätzliche Betriebspunkte zu erzeugen, wobei die NO_x-Anzeige genommen wird, um Betriebspunkte 210, 212, 214 zu erzeugen, wie in 8 veranschaulicht, sodass eine zusätzliche Kurvenanpassungs-Funktion als eine Funktion des Winkels θ gegenüber 158 mit Bezug auf das Liniensegment 210–158 unter Benutzung von Gleichung 2 errechnet werden kann, wie durch Stufe 130 identifiziert. NOx = b0 + b1θ + b2θ2 Gleichung 2
In Gleichung 2 sind b₀, b₁ und b₂ Koeffizienten, die unter Benutzung einer Regression der kleinsten Quadrate oder Kurvenanpassungs-Funktion aus NO_x-Werten 210, 212 und 214 errechnet werden. Winkel θ ist irgendeiner von zwei spezifizierten Winkeln (θ₁ und θ₂), definiert durch die eingestellten Betriebspunkte 158, 210 und 212 (θ₁) und 158, 210 und 214 (θ₂), wie in 8 veranschaulicht. Der Zweck dieser Berechnung ist es, einen lokalen Minimalpunkt des Betriebes 204 entlang des Bogens zu bestimmen, der durch Betriebspunkte 210, 212 und 214 nahe der Betriebgrenze 156 definiert wird. Die Ableitung mit Bezug auf den θ-Winkel wird bestimmt und für NO_x = null gelöst. Aus diesem errechneten Wert wird ein Winkel θ entsprechend dem lokalen minimalen NO_x-Punkt 204 identifiziert, wie durch Stufe 132 veranschaulicht. Als Nächstes wird eine lokale Minimumlinie 202 bestimmt, wobei die lokale Minimumlinie 202 als die Linie zwischen dem nominalen Betriebspunkt 158 und dem lokalen Minimumpunkt 204 definiert ist. Die Gasturbine vom nominalen Betriebspunkt 158 entlang der lokalen Minimumlinie 202 bis zum Betriebspunkt 222 gesteigert, der eine Sicherheitsgrenze „r" vom lokalen Minimumpunkt 204 entfernt liegt. Betriebspunkt 171 ist der nahe globale Betriebspunkt der Gasturbine. Der nahe globale Betriebspunkt ist definiert als der Betriebspunkt, bei dem NO_x-Emissionsniveaus in einem Bereich von etwa 10% bis etwa 20% von nominalen NO_x-Emissionsniveaus verringert sind, wenn die Gasturbine arbeitet und die vorliegende Erfindung nicht benutzt wird.
Die hierin beschriebenen Verfahren können benutzt werden, die Abgabe irgendeines chemischen Reaktors zu optimieren, der verschiedene Parameter, die kontrolliert werden können, sowie mehrere Ausgabe-Variablen hat. Das hierin beschriebenen Verfahren, das NO_x-Emissionen durch Optimieren der Ring-Flammentemperaturen verringert, kann auch gleichzeitig mit Kohlenmonoxid verringernden Algorithmen benutzt werden, wie solchen, die in US-PSn 4,910,957 und 4,928,481 beschrieben sind.

Claims

Brennstoff-Kontrollverfahren zum Kontrollieren des Verhältnisses der Ringtemperatur-Einstellung in Ringen eines Brenners in einer Gasturbine (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoff-Kontrollverfahren die Stufen umfasst: Definieren einer Betriebsgrenze (156) für eine Einstellung der Innenring-Temperatur (30) gegenüber einer Einstellung der Außenring-Temperatur; Berechnen einen globalen Minimums, mit Bezug auf NO_x-Emissionen, des Betriebes der Einstellung der Innenring-Brennstofftemperatur (30) gegenüber der Einstellung der Außenring-Brennstofftemperatur (28) innerhalb einer Sicherheitsgrenze der Betriebsgrenze (156), worin das NO_x-Emissionsniveau der Gasturbine vermindert ist, und Regulieren der Ringtemperaturen (28, 30), um die Einstellung der Innenring-Temperatur (30) und die Einstellung der Außenring-Temperatur (28) nahe dem globalen Minimalpunkt des Betriebes (157) zu halten, während ein Normalbetrieb der Gasturbine aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Betriebsgrenze (156) identifiziert ist, wenn der dynamische Brennerdruck größer ist als eine spezifizierte Grenze.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin der dynamische Brennerdruck eine spezifizierte Grenze in einem Bereich von etwa null bis etwa 15.000 Pa aufweist.
Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin die Gasturbine dahingehend verifiziert ist, dass sie sich in einem Modus (ABC) befindet, bei dem der innere Ring, der Pilotring und der äußere Ring gleichzeitig durch den Turbinen-Kontroller (50) kontrolliert werden.
Vorrichtung zum Kontrollieren der Brennstoffströmung zu einer Vielzahl von Ringen in einem ringförmigen Brenner einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung umfasst: einen Turbinen-Kontroller (50), wobei der Turbinen-Kontroller (50) zum Erzeugen einer nominalen Betriebstemperatur für jeden der Vielzahl von Ringen des Brenners angepasst ist; einen NO_x-Regulator (56), der mit dem Turbinen-Kontroller (50) gekoppelt ist, wobei der NO_x-Regulator (56) zum Reduzieren von NO_x-Emissionsniveaus in der Gasturbine durch Einstellen der Ringtemperaturen des ringförmigen Brenners angepasst ist; einen Innenring-Brennstoffeinsteller (52), der mit dem NO_x-Regulator (56) gekoppelt ist, wobei der Innenring-Brennstoffeinsteller (52) zum Einstellen der Innenring-Temperatur (30) des Brenners innerhalb einer spezifizierten Grenze angepasst ist, und einen Außenring-Brennstoffeinsteller (54), der mit dem NO_x-Regulator (56) gekoppelt ist, wobei der Außenring- Brennstoffeinsteller (54) zum Einstellen der Außenring-Temperatur (28) des Brenners innerhalb einer spezifizierten Grenze angepasst ist, wobei die Ringtemperaturen (28, 30) reguliert sind, die Einstellung der Innenring-Temperatur (30) und die Einstellung der Außenring-Temperatur (28) nahe dem globalen Minimalpunkt des Betriebes (157) zu halten, während Normalbetrieb der Gasturbine aufrechterhalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, worin der NO_x-Regulator (56) weiter einen Digitalsignal-Prozessor umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, worin der NO_x-Regulator (56) weiter umfasst: einen Mikroprozessor (86); einen Analog/Digital-Wandler (90), der an den Mikroprozessor (86) gekoppelt ist; mindestens einen Digital/Analog-Wandler (84), der an den Mikroprozessor (86) gekoppelt ist, und einen Mehrfachkuppler (92), der an den Analog/Digital-Wandler (90) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 7, worin die spezifizierte Grenze in einem Bereich von etwa minus 65 Grad Celsius bis etwa plus 65 Grad Celsius (+65°C) um eine Nominal-Betriebstemperatur herum liegt.